基于數(shù)字化移交的換熱器預測維護

張國玉,王 韌

(青海鹽湖工業(yè)股份有限公司,青海 格爾木 816000)

1 引 言

數(shù)字化發(fā)展正成為工業(yè)企業(yè)發(fā)展的重要趨勢,其目標是實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為驅(qū)動要素的經(jīng)濟發(fā)展。數(shù)字化移交與基于數(shù)字化移交的工廠運維管理是工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化發(fā)展的重要途徑,是對傳統(tǒng)的以紙質(zhì)為介質(zhì)的技術(shù)資料接收和管理拋棄,更是對以文檔管理系統(tǒng)為載體的電子化管理的升級換代。數(shù)字化移交是設(shè)計與工程建設(shè)成果的數(shù)字化信息交接,是數(shù)字化工廠的重要組成部分[1]。數(shù)字化移交系統(tǒng)建立了三維數(shù)據(jù),二維數(shù)據(jù)以及二三維間的智能或者部分智能數(shù)據(jù)模型,有效地提升了工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)查詢和搜索的能力。越來越多企業(yè)認識到數(shù)字化移交的重要性,在新建項目中,對工程公司和設(shè)計院提出了數(shù)字化移交的要求,有些項目已經(jīng)落地,有些項目正在進行。但是由于數(shù)字化移交整體上是基于工程設(shè)計領(lǐng)域軟件應(yīng)用的拓展,目前主要的研究和應(yīng)用集中在如何歸類和整理以及轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),對于應(yīng)該如何在業(yè)主端使用移交的數(shù)據(jù),往往局限于對數(shù)據(jù)的查詢等有限的范圍內(nèi)。數(shù)字化移交成果能否支撐更深層次的應(yīng)用,怎樣才能最大限度發(fā)揮其功能,是目前業(yè)主企業(yè)重要的關(guān)注點[2]。本文采用基于西門子COMOS數(shù)字化移交成果中提供的結(jié)構(gòu)化管殼式換熱器數(shù)據(jù),結(jié)合生產(chǎn)運行數(shù)據(jù),用Aspen EDR對換熱器的污垢情況進行模擬計算,并根據(jù)計算的污垢熱阻進行曲線擬合,得到污垢形成的模型方程,最后基于模型計算結(jié)果觸發(fā)COMOS運維模塊生成預防維護工單,實現(xiàn)了基于數(shù)字化移交成果的管殼式換熱器的預測性維護。

2 數(shù)字化移交與運維平臺介紹

本文方案采用的數(shù)字化移交系統(tǒng)為西門子COMOS平臺,該平臺的最大優(yōu)勢是不僅能夠支持工程階段的工程設(shè)計和工程數(shù)據(jù)的數(shù)字化移交,而且能夠基于移交的數(shù)據(jù)進行一體化運維。COMOS底層采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù),確保了工程數(shù)據(jù)的數(shù)字化移交模塊與運維模塊都基于同一個平臺,從而所有專業(yè)數(shù)據(jù)、運維數(shù)據(jù)都在同一個數(shù)據(jù)庫中。數(shù)字化移交的數(shù)字資料浩繁如海,數(shù)據(jù)的生成過程中會涉及設(shè)計過程的多個專業(yè),比如工藝、電氣、儀表、配管、設(shè)備、土建、安全等,施工過程涉及具體供應(yīng)商,數(shù)據(jù)類型包含了PFD、P&ID、電氣、儀表控制回路,安裝圖、儀表邏輯圖、機柜、管道布置、管道安裝圖、管道索引表、儀表條件表、電纜表、土建圖紙、焊縫數(shù)據(jù)表,以及供應(yīng)商設(shè)備資料圖紙、技術(shù)規(guī)范、技術(shù)說明,甚至軟件信息系統(tǒng)[3]。從工藝原理、控制原理到具體執(zhí)行的設(shè)備間都存在著邏輯聯(lián)系。如圖1所示,COMOS能利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)實現(xiàn)對如此繁雜數(shù)據(jù)的高效存儲,支持建立工廠對象與數(shù)據(jù)、工廠對象與文檔、工廠對象與三維模型間的關(guān)聯(lián)關(guān)系與邏輯關(guān)系,打破數(shù)據(jù)孤島,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明化。

圖1 數(shù)字化移交的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

COMOS平臺支持基于移交的數(shù)據(jù)進行運維的管理,如圖2所示,COMOS支持工程數(shù)據(jù)的更新維護、設(shè)備運維管理、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)協(xié)同。在工程數(shù)據(jù)維護上支持工藝技術(shù)改造涉及的工藝設(shè)計、電氣設(shè)計、儀表控制設(shè)計等;在設(shè)備運維方面覆蓋設(shè)備臺賬、日常維修、周期維護、狀態(tài)維護、風險分析、特種設(shè)備管理、潤滑管理、大中修管理等;同時可以與ERP系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)等通過其接口實現(xiàn)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通[4]。

圖2 數(shù)字化移交在工廠運維中的應(yīng)用

設(shè)備數(shù)據(jù)是數(shù)字化移交的重要內(nèi)容,聚焦到管殼式換熱器,由于換熱器在工業(yè)企業(yè)中能耗比例較高,完整的換熱器數(shù)據(jù)是企業(yè)進行換熱器模擬計算的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),詳細的換熱器數(shù)據(jù)移交顯得非常重要。本文涉及的數(shù)字化移交過程供應(yīng)商提供的換熱器數(shù)據(jù)提出了明確的要求,同時也對涉及的工藝物流物性提出了移交要求,并最終在數(shù)字化移交過程中形成了面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包含換熱器的基本機械結(jié)構(gòu)參數(shù)(管殼程尺寸、折流板尺寸、管程數(shù)、封頭形式等),也包含了進出料的工藝設(shè)計計算參數(shù)(包含組分和組成數(shù)據(jù)),是管殼式換熱器模型分析的基礎(chǔ)?；诮⒌墓軞な侥Ｐ涂梢约傻紺OMOS系統(tǒng)的預防維護計劃中,并根據(jù)配置的規(guī)則自動觸發(fā)生成維護工單,實現(xiàn)管殼式換熱器的預測性維護[5]。

3 基于數(shù)字化移交的換熱器預測維護

3.1 污垢對換熱器的影響

隨著換熱器運行時間的增加,換熱器容易在換熱器管程或者殼程側(cè)形成一層污垢。污垢的形成會增加管內(nèi)外的熱傳導熱阻,導致?lián)Q熱器的換熱效率降低。控制系統(tǒng)為了達到控制的溫度,就需要提高物流流量或者蒸汽加壓增加焓值來提高換熱器的推動力,這會導致企業(yè)綜合能耗上升,當換熱嚴重惡化會導致產(chǎn)品質(zhì)量問題甚至安全問題。為了防止污垢增加導致的能耗上升等問題,需要合理地安排污垢的清理工作[6]。通常企業(yè)往往對換熱器進行粗略分類后,按照1年、2年等周期進行清洗,這種粗略的維護存在清洗不及時或者過度維護的可能。如何根據(jù)工況合理安排污垢清理,本文通過對污垢對傳熱的影響進行分析,并進一步建立模型的方式進行。

(1)

式中:K為總傳熱系數(shù);d1、d2分別為換熱管外徑和內(nèi)徑,m;dm為對數(shù)平均直徑,m;Rs1、Rs2分別為換熱管外表面污垢熱阻和內(nèi)表面污垢熱阻,W/(m·K);b為管壁厚度,m;λ為熱導率;α1、α2分別為殼程對流傳熱系數(shù)和管程對流傳熱系數(shù)。

由式(1)可知,對于在運行的換熱器,設(shè)備尺寸和材質(zhì)(d1、d2、dm、b、λ)是確定的,對流傳熱系數(shù)的大小α1、α2與流體的物理 性質(zhì) (如密度、 比定壓熱容、 黏度和熱導率)相關(guān),雖然運行過程中有波動,但變化不大。 因此影響換熱器導熱系數(shù)K的值為污垢熱阻Rs1、Rs2。

如圖3所示,換熱器的污垢形成過程主要有四種,即線性增長型、降率型、漸近線型和鋸齒型。由于污垢層厚度的增加,往往需要提高湍動程度提升換熱能力,湍動的增強一定程度減輕了結(jié)垢的速率。實踐表明,鹽湖化工的換熱器污垢形成曲線主要為降率型和漸近線型。通過對工程數(shù)據(jù)計算,回歸分析得到Rs1、Rs2的模型方程,可以用于換熱器污垢預測維護。

圖3 污垢形成過程曲線

由于換熱器結(jié)構(gòu)復雜,工業(yè)換熱過程工藝千差萬別,雖然對于換熱器污垢建模有較多報道,但很難通過實驗室測定數(shù)據(jù)的方式進行準確模型的建立。As-pen EDR換熱器計算軟件廣泛應(yīng)用于換熱器設(shè)計和模擬,本文采用Aspen EDR軟件的換熱器模擬模式對換熱器運行階段污垢系數(shù)和最大污垢進行求解,并根據(jù)計算的污垢系數(shù)進行曲線擬合,得到污垢形成的模型方程,最終根據(jù)達到最大污垢一定比例的時間點觸發(fā)預防維護計劃[7]。

3.2 基于COMOS移交平臺的污垢預測維護功能開發(fā)

COMOS移交數(shù)據(jù)包含了管殼式換熱器的機械和工藝參數(shù),機械參數(shù)包含兩側(cè)封頭類型、管子尺寸、隔板類型、隔板尺寸、換熱器殼體尺寸、管體與殼體的材料參數(shù);工藝方面,包含了進出口物流的物料組成與比例數(shù)據(jù),以及能用于最大污垢計算的換熱器流量溫度等設(shè)備設(shè)計參數(shù)。Aspen EDR參數(shù)基于國際標準,COMOS移交的數(shù)據(jù)與EDR存在部分差異,為此通過在COMOS平臺的提供的關(guān)聯(lián)表建立對應(yīng)關(guān)系匹配表,實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[8]。

污垢的計算包含管內(nèi)外Rs1、Rs2,為了簡化模型,需要分析哪個為主要污垢形成側(cè),并選擇主要污垢側(cè)進行計算。運行數(shù)據(jù)直接采自實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),包含換熱的兩股物流的進口溫度、進口流量、出口溫度。每周采集一次,每次采集30 min內(nèi)的數(shù)據(jù)進行平均值后存儲到COMOS的運行數(shù)據(jù)中作為當次分析的數(shù)據(jù)源。創(chuàng)建標準的Aspen EDR模擬文件作為標準的計算基礎(chǔ),其中熱力學模型選擇BJAC。機械與工藝參數(shù),以及運行數(shù)據(jù)通過COM接口傳遞給EDR系統(tǒng)并完成計算。圖4為污垢熱阻和最大污垢熱阻的計算過程,COMOS通過COM接口將數(shù)據(jù)傳遞到EDR和并調(diào)用EDR校核模式、最大污垢模式和模擬模式進行校核系數(shù)計算、最大污垢熱阻計算和當前運行狀態(tài)下的污垢熱阻計算。校核系數(shù)為換熱器無污垢運行時需要的換熱面積除以換熱器設(shè)計面積比,計算方法見式(2),最大污垢為滿足設(shè)計換熱條件下可以容許的最大污垢熱阻,是計算是否需要觸發(fā)污垢清理工單的參考值,對應(yīng)的流量和溫度數(shù)據(jù)來自移交平臺中的設(shè)計參數(shù)。在換熱器運行初期,或者除垢結(jié)束后,因為沒有足夠的污垢數(shù)據(jù)用于建立污垢模型,所以污垢熱阻計算完成后,最后系統(tǒng)對當污垢熱阻與維護條件進行比較,比較條件見式(3),當滿足觸發(fā)工單條件時生成預防維護工單,并推送到相關(guān)負責人去安排合適的時機進行除垢[9]。

圖4 污垢熱阻和最大污垢熱阻的計算過程

(2)

式中:φ為換熱器校核系數(shù);Ar為實際需要的換熱器面積,m2;Ad為換熱器的設(shè)計面積,m2;在移交數(shù)據(jù)中換熱器的有效換熱面積:

Rx>Rmax×kc÷φ

(3)

式中:Rx為換熱器當前的污垢熱阻,W/(m·K);Rmax為換熱器能夠滿足正常換熱的最大污垢熱阻,W/(m·K);φ為換熱器校核系數(shù);kc為觸發(fā)維護閥值。

當系統(tǒng)第一次觸發(fā)換熱器除垢后,系統(tǒng)認為滿足了建立污垢形成的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),并據(jù)此通過數(shù)據(jù)回顧得到污垢形成的數(shù)學模型。本文采用多項式回歸分析,并用Scipy提供的最小二乘法函數(shù)求解最佳擬合參數(shù),其中選用的項數(shù)為3,自變量為時間,因變量為污垢熱阻,具體的模型方程形式見式(4)。

Rx=k0+k1t+k2t2+k3t3

(4)

式中:Rx為換熱器當前的污垢熱阻,W/(m·K);t為自換熱器清潔狀態(tài)起的運行時間(剔除停機時間);k0、k1、k2、k3為模型系數(shù)。

COMOS系統(tǒng)結(jié)合式(3)與式(4),通過編輯相應(yīng)的邏輯代碼計算下次維護的設(shè)備運行時間,并基于此運行時間,COMOS系統(tǒng)中設(shè)置的日平均運行時間估算未來的維護時間點。由于裝置存在停機的可能,系統(tǒng)還通過定時任務(wù)以某個固定頻率對預測的具體時間進行調(diào)整。當預測維護時間達到設(shè)定的提前提醒時間時,系統(tǒng)觸發(fā)生成基于污垢模型的預測性維護工單[10]。

3.3 COMOS移交平臺管殼式換熱器污垢預測維護功能應(yīng)用

在某鹽化工的數(shù)字化移交項目中,業(yè)主方對換熱器移交提出了嚴格的移交要求,數(shù)字化工廠移交方根據(jù)工藝要求在COMOS系統(tǒng)中提供了詳細的進出口管道的物流參數(shù)和物性參數(shù),設(shè)備供應(yīng)商按照項目移交的設(shè)備規(guī)格表提供了詳細的設(shè)備機械參數(shù)和換熱器的性能參數(shù)。工廠投產(chǎn)后應(yīng)用污垢熱阻模塊對系統(tǒng)中的管殼式換熱器進行了跟蹤分析和建模,從物流的類型、物流的相態(tài)等分析和設(shè)置了待計算的污垢熱阻在管內(nèi)側(cè)還是外側(cè),進行了EDR模型的初步調(diào)試,然后正式啟動計算模型計算污垢熱阻,觸發(fā)維護閥值kc設(shè)置為0.5。圖5是某換熱器每周一次連續(xù)7個月的計算結(jié)果,其換熱器校核系數(shù)φ為0.763,最大污垢熱阻Rmax為7.76×10-4W·(m2·K)-1,擬合的結(jié)果見式 (5) 。

圖5 污垢熱阻計算舉例

Rx=1.481×10-2+3.949×10-2t-9.221×10-5t2+
8.213×10-8t3

(5)

換熱器維護階段,設(shè)置kc為觸發(fā)維護閥值為0.6,結(jié)合式 (3) 與式(4),系統(tǒng)給出的維護建議時間為第380天,對應(yīng)的污垢熱阻Rx為6.21×10-4W·(m2·K)-1,到達最大污垢的時間為569天,這與同工況換熱器歷史污垢清洗的時間一致,但時間更加精確,準確度提升27%(按照企業(yè)300天維護要求計算),具體預測曲線如圖6所示。COMOS將計算結(jié)果保存到運維模塊中的計劃對象中,計劃對象根據(jù)換熱器功能設(shè)置的值自動生成件維護計劃工單,并自動分配給負責人,負責人按照具體情況將換熱器的污垢清洗工作安排到系統(tǒng)的大中修計劃中完成[11]。

值得指出的是達到最大污垢系數(shù)并不代表換熱器完全不能滿足換熱的要求,生產(chǎn)操作中需要通過增強換熱介質(zhì)流速或者壓力來增強湍動,提高傳熱系數(shù),但這也意味著裝置能耗的上升。通過設(shè)置合理維護閥值kc提前生成換熱器的維護工單,方便工廠維護人員盡早安排合適的時間維護,能夠避免因為污垢超標導致的換熱能耗增長,甚至導致?lián)Q熱達不到工藝要求和產(chǎn)品合格率下降。

4 結(jié) 語

采用COMOS數(shù)字化移交平臺,不僅實現(xiàn)了海量的資料和數(shù)據(jù)的移交和基于移交的設(shè)備運維管理,還能夠靈活組織數(shù)據(jù)和擴展功能,拓展數(shù)字化移交成果在企業(yè)運維階段的應(yīng)用范圍?；贑OMOS平臺二次開發(fā)管殼式換熱器預測維護模塊利用數(shù)字化移交成果中提供的結(jié)構(gòu)化管殼式換熱器數(shù)據(jù),結(jié)合生產(chǎn)運行數(shù)據(jù),對定周期的污垢熱阻計算結(jié)果進行建模,并成功應(yīng)用于工廠管殼式換熱器的預測性維護,提升了管殼式換熱器清垢工作的精細化管理水平,降低了管殼式換熱器的清垢成本,降低了裝置的綜合能耗,是數(shù)字化移交成果在工廠運維階段的有益拓展。